Ультразвуковые методы исследований
1. Понятие УЗ
Ультразвуковые волны — это упругие колебания среды с частотой, лежащей выше диапазона слышимых человеком звуков — выше 20 кГц. Верхним пределом ультразвуковых частот можно считать 1 – 10 ГГц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяются ультразвуковые волны. Они обладают высокой проникающей способностью и проходят через ткани организма, не пропускающие видимого света. Ультразвуковые волны относятся к числу неионизирующих излучений и в диапазоне, применяемом в диагностике, не вызывают существенных биологических эффектов. По средней интенсивности энергия их не превышает при использовании коротких импульсов 0,01 Вт/см2. Поэтому противопоказаний к исследованию не имеется. Сама процедура ультразвуковой диагностики непродолжительна, безболезненна, может многократно повторяться. Ультразвуковая установка занимает мало места, не требует никакой защиты. Она может быть использована для обследования как стационарных, так и амбулаторных больных.
Таким образом, ультразвуковой метод — это способ дистантного определения положения, формы, величины, структуры и движений органов и тканей, а также патологических очагов с помощью ультразвукового излучения. Он обеспечивает регистрацию даже незначительных изменений плотности биологических сред. В ближайшие годы он, по всей вероятности, станет основным способом визуализации в диагностической медицине. В силу своей простоты, безвредности и эффективности он, в большинстве случаев, должен применяться на ранних этапах диагностического процесса.
Для генерирования УЗ используются устройства, называемые УЗ-излучателями. Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта. Обратный пьезоэффект заключается в механической деформации тел под действием электрического поля. Основной частью такого излучателя является пластина или стержень из вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами (кварц, сегнетова соль, керамический материал на основе титаната бария и др.). На поверхность пластины в виде проводящих слоев нанесены электроды. Если к электродам приложить, переменное электрическое напряжение от генератора, то пластина благодаря обратному пьезоэффекту начнет вибрировать, излучая механическую волну соответствующей частоты.
Наибольший эффект излучения механической волны возникает при выполнении условия резонанса. Так, для пластин толщиной 1 мм резонанс возникает для кварца на частое 2,87 МГц, сегнетовой соли - 1,5 МГц и титаната бария - 2,75 МГц.
Приемник УЗ можно создать на основе пьезоэлектрического эффекта (прямой пьезоэффект). В этом случае под действием механической волны (УЗ-волны) возникает деформация кристалла, которая приводит при пьезоэффекте к генерированию переменного электрического поля; соответствующее электрическое напряжение может быть измерено.
Применение УЗ в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. Рассмотрим этот вопрос.По физической природе УЗ, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны УЗ существенноменьше длины звуковой волны. Дифракция волн существенно зависит от соотношения длины волн и размеров тел, на которых волна дифрагирует. "Непрозрачное" тело размером 1 м не будет препятстствием для звуковой волны с длиной 1,4 м, но станет преградой дляУЗ-волны с длиной 1,4 мм, возникнет "УЗ-тень". Это позволяет в некоторых случаях не учитывать дифракцию УЗ-волн,рассматривая при преломлении и отражении эти волны как лучианалогично преломлению и отражению световых лучей).
Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений. Так, УЗ хорошо отражается на границах мышца — надкостница— кость, на поверхности полых органов и т. д. Поэтому можно определить расположение и размер неоднородных включений, полостей, внутренних органов и т. п.(УЗ-локация). При УЗ-локации используют как непрерывное, таки импульсное излучения. В первом-случае исследуется стоячая волна, возникающая при интерференции падающей и отраженной волн от границы раздела. Во втором случае наблюдают отраженный импульс и измеряют время распространения ультразвука до исследуемого объекта и обратно. Зная скорость распространения ультразвука, определяют глубину залегания объекта.
Волновое сопротивление (импеданс) биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому если УЗ-излучатель приложить к телу человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться из-за тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ-излучателя покрывают слоем масла.
Скорость распространения ультразвуковых воли и их поглощение существенно зависят от состояния среды; на этом основано использование ультразвука для изучения молекулярных свойств вещества. Исследования такого рода являются предметом молекулярной акустики.
2. Источник и приемник ультразвукового излучения
Ультразвуковую диагностику осуществляют с помощью ультразвуковой установки. Она представляет собой сложное и вместе с тем достаточно портативное устройство, выполняется в виде стационарного или передвижного аппарата. Для генерирования УЗ используют устройства, называемые УЗ-излучателями. Источник и приемник (датчик) ультразвуковых волн в такой установке — пьезокерамическая пластинка (кристалл), размещенная в антенне (звуковом зонде). Эта пластинка — ультразвуковой преобразователь. Переменный электрический ток меняет размеры пластинки, возбуждая тем самым ультразвуковые колебания. Применяемые для диагностики колебания обладают малой длиной волны, что позволяет формировать из них узкий пучок, направляемый в исследуемую часть тела. Отраженные волны воспринимаются той же пластинкой и преобразуются в электрические сигналы. Последние поступают на высокочастотный усилитель и далее обрабатываются и выдаются пользователю в виде одномерного (в форме кривой) или двухмерного (в форме картинки) изображения. Первое называют эхограммой, а второе — ультрасонограммой (сонограммой) или ультразвуковой сканограммой.
Частоту ультразвуковых волн подбирают в зависимости от цели исследования. Для глубоких структур применяют более низкие частоты и наоборот. Например, для изучения сердца используют волны с частотой 2,25—5 МГц, в гинекологии — 3,5—5 МГц, для эхографии глаза — 10—15 МГц. На современных установках эхо- и сонограммы подвергают компьютерному анализу по стандартным программам. Распечатка информации производится в буквенной и цифровой форме, возможна запись на видеоленте, в том числе в цвете.
Все ультразвуковые установки, кроме основанных на эффекте Допплера, работают в режиме импульсной эхолокации: излучается короткий импульс и воспринимается отраженный сигнал. В зависимости от задач исследования употребляют различные виды датчиков. Часть из них предназначена для сканирования с поверхности тела. Другие датчики соединены с эндоскопическим зондом, их используют при внутриполостном исследовании, в том числе в комбинации с эндоскопией (эндосонография). Эти датчики, а также зонды, созданные для ультразвуковой локации на операционном столе, допускают стерилизацию.
По принципу действия все ультразвуковые приборы делят на две группы: эхоимпульсные и допплеровские. Приборы первой группы служат для определения анатомических структур, их визуализации и измерения. Приборы второй группы позволяют получать кинематическую характеристику быстро протекающих процессов — кровотока в сосудах, сокращений сердца. Однако такое деление условно. Существуют установки, которые дают возможность одновременно изучать как анатомические, так и функциональные параметры.
3. Объектультразвуковогоисследования
Благодаря своей безвредности и простоте ультразвуковой метод может широко применяться при обследовании населения во время диспансеризации. Он незаменим при исследовании детей и беременных. В клинике он используется для выявления патологических изменений у больных людей. Для исследования головного мозга, глаза, щитовидной и слюнных желез, молочной железы, сердца, почек, беременных со сроком более 20 нед. специальной подготовки не требуется.
Больного исследуют при разном положении тела и разном положении ручного зонда (датчика). При этом врач обычно не ограничивается стандартными позициями. Меняя положение датчика, он стремится получить возможно полную информацию о состоянии органов. Кожу над исследуемой частью тела смазывают хорошо пропускающим ультразвук средством для лучшего контакта (вазелином или специальным гелем).
Ослабление ультразвука определяется ультразвуковым сопротивлением. Величина его зависит от плотности среды и скорости распространения в ней ультразвуковой волны. Достигнув границы двух сред с разным импедансом, пучок этих волн претерпевает изменение: часть его продолжает распространяться в новой среде, а часть отражается. Коэффициент отражения зависит от разности импеданса соприкасающихся сред. Чем выше различие в импедансе, тем больше отражается волн. Кроме того, степень отражения связана с углом падения волн на граничащую плоскость. Наибольшее отражение возникает при прямом угле падения. Из-за почти полного отражения ультразвуковых волн на границе некоторых сред, при ультразвуковом исследовании приходится сталкиваться со "слепыми" зонами: это — наполненные воздухом легкие, кишечник (при наличии в нем газа), участки тканей, расположенные за костями. На границе мышечной ткани и кости отражается до 40% волн, а на границе мягких тканей и газа — практически 100%, поскольку газ не проводит ультразвуковых волн.
4. Методы ультразвукового исследования
Наибольшее распространение в клинической практике нашли три метода ультразвуковой диагностики: одномерное исследование (эхография), двухмерное исследование (сканирование, сонография) и допплерография. Все они основаны на регистрации отраженных от объекта эхосигналов.